1 Badeteknisk 2013, Hamar, 6-8. Januar 2013 Vannkvalitet: Optimal vannkvalitet i bade og svømmeanlegg av Prof. Stein W. Østerhus Assoc. prof. Cynthia Halle Institutt for Vann og miljøteknikk, NTNU Email: stein.w.osterhus@ntnu.no
2 Innhold 1 Optimal vannkvalitet: Introduksjon Mikrobielle utfordringer og kvalitet Vannbalanse og korrosjonskontroll 2 Noen tradisjonelle aktuelle rensemetoder: Desinfeksjonsbiprodukter UV-behandling Tradisjonell filtrering 3 Noen aktuelle og nye rensemetoder Klorering og klorfri desinfeksjon Membranfiltrering
3 Hva er optimal vannkvalitet? Mikrobiologisk sikkert Desinfeksjon Kjemisk sikkert og behagelig Desinfeksjonsbiprodukter, forurensning, osv Behagelig, ingen hud- og øye-irritasjoner, osv Tiltalende estetisk Turbiditet, farge, lukt, osv Ikke aggressivt/korrosivt vann Vannbalanse, korrosjonskontroll Drift Temperatur Myndighetenes krav Er de optimale?
4 Prinsippskisse av badeanlegg
5 Fokus på Svært mange utfordringer og problemstillinger Velger å fokusere på: Mikrobielle problemer og kvalitet Vannbalanse og korrosjonskontroll Inkluderer klorering
6 Mikrobiell kvalitet Hygienic contamination may be due to several causes Pathogenic bacteria example: Thermo tolerant bacteria indicate recent fecal pollution Salmonella typhoid, stomach infection Vibrio cholerae cholera Parasitic protozoa Cryptosporidium and Giardia cause abdominal infection and diarrhea Virus Can cause jaunice, poliomelitt, eye infection, diarrhea Hygenic contamination is unacceptable In drinking water and cause health Hazards for bathing water
7 Patogene mikroorganismer Vakre men farlige! Cold virus bacteriophage rotavirus E-Coli. Protozoa: Cryptosporidium Norwalklike virus Protozoa: Giardia
8 Mikrobiell risiko
9 Pr. g fecies i syk pers. Infeksjons dose [Angreps rate] Basseng smitte Sykdom Klor krav, mg/l
10 Infeksjonsdose [Angreps rate] Basseng smitte Sykdom Klor krav, mg/l
11 Mikrobielle grenseverdier Norge 10 i.p. i.p. i.p. i.p. i.p.
12 God hygienisk kvalitet og sikkerhet Mange farer og mulige smittekilder (patogener): Redusere «patogen-presset» ved god vannbehandling Hindre smitte ved effektiv desinfeksjon
13 Hygienic safety Water quality in swimming pool water conern Hygienic safety Traditional solution Chlorination
14 Krav ved klorering Laveste tillatte verdi Høyeste tillatte verdi ph 7.2 7.6 Vanntemperatur Laveste innhold av fritt klor * Sum av fritt og bundet klor, maksimalverdi ** 27 ºC 0.4 mg/l 3 mg/l 27 29 ºC 0.5 mg/l 3 mg/l 29 33 ºC 0.7 mg/l 4 mg/l 33 37 ºC 0.9 mg/l 4 mg/l > 37 ºC 1.0 mg/l 4 mg/l * Måles i utløpet fra bassenget før tilsats av nytt desinfeksjonsmiddel. ** Bundet klor skal være lavest mulig og < 50% av fritt klor og < 0.5 mg Cl/L.
15 Fritt klor HOCl er mer enn 100 % mere effektivt enn OCl -
16 Klorreaksjoner Klorgassdosering Fritt klor + Syre Cl 2 + H 2 O HOCl + H + + Cl - ph reduksjon Natriumhypoklorittdosering + lut Fritt klor + base NaOCl + NaOH 2Na + + OCl - + OH - ph økning H + + OCl - HOCl ph økning Kalsiumhypoklorittdosering + lut Fritt klor + base Ca(OCl) 2 + CaCO 3 2Ca 2+ + 2OCl - + CO 2-3 ph økning H + + OCl - HOCl ph økning Oksidasjon av forbindelser i vannet Org + HOCl Cl - + rest klorforbruk Dannelse av bundet klor 3HOCl + NH + 4 NH 2 Cl NHCl 2 NCl 3 N 2 klorforbruk
17 Typisk norsk vannkvalitet Overflatevann som er surt og bløtt: ph <6.5 Alkalitet <0.02 mmol/l Kalsium (Hardhet) <3 mg Ca/l Vannbehandling for korrosjonskontroll er vanligvis påkrevet. Anbefalt drikkevannskvalitet etter behandling: ph = 7.5-8.5 (>8.0) Alkalitet = 0.6-1.0 mmol/l (~1.0 mmol/l) Kalsium = 15-25 mg Ca/l (~20 mg Ca/l)
18 Kalsiumhardhet dhº mg CaCO 3 /L mg Ca/L Svært bløtt 0 2 0 35 0 14 Bløtt 2 5 35 90 14 36 Middels hardt 5 10 90 175 36 70 Hardt 10 21 175 375 70 150 Svært hardt > 21 > 375 > 150 Anbefalt i retningslinjer for vannbehandling i offentlige bassengbad: mg CaCO 3 /L Kalsiumhardhet 100 300 40-120 mg Ca/L Alkalitet 50 100 1 2 mmol/l
19 Omregningsfaktorer Hardhet, Hardhet, Hardhet, Alkalitet, Alkalitet, dhº mg CaCO 3 /L Mg Ca/L mg CaCO 3 /L mmol/l Hardhet, dhº Hardhet, mg CaCO 3 /L Hardhet, mg Ca/L Alkalitet, mg CaCO 3 /L Alkalitet, mmol/l 1 17.9 7.14 - - 0.056 1 0.4 - - 0.14 2.5 1 - - - - - 1 0.02 - - - 50 1
20 Årsak til ph-økning Dosering av hypokloritt. Reagerer basisk. Inneholder lut. Forbrukes og må doseres kontinuerlig. Utlekking fra sementbaserte materialer. Avhengig av vannets aggressivitet. Tap av fri CO 2 til luften. Avhengig av vannets ph og alkalitet, samt turbulens. Behov for kontinuerlig dosering av syre. Saltsyre (HCl), kullsyre (CO 2 )
21 Dosering av syre Saltsyre, HCl Senker både ph og alkalitet Kullsyre, CO 2 Senker kun ph Påstand: fri CO 2 er aggressivt overfor sement. Fri CO 2 -innholdet er bestemt av ph og alkalitet. Kombinasjon av lav ph og høy alkalitet gir mye fri CO 2. Dosering av CO 2 gir ikke tilsvarende økning i innholdet av fri CO 2. Dosering av HCl gir også økning i innholdet av fri CO 2. Dosering av CO 2 kan redusere aggressiviteten i typiske norske vannkvaliteter (når det gjøres for å unngå phøkning).
22 Annen vannbehandling som endrer vannkvaliteten ph-heving Lut (NaOH), natriumkarbonat (Na 2 CO 3 ), natriumbikarbonat (NaHCO 3 ). Kjemisk felling Jernklorid (FeCl 3 ), aluminiumsulfat (Al 2 (SO 4 ) 3 ), polyaluminiumklorid. Ozon desinfisering Temperaturheving Alkalitetsheving Natriumbikarbonat (NaHCO 3 ). Hardhetsøkning Kalsiumklorid (CaCl 2 ). Kalsiumhypokloritt (Ca(OCl) 2 ) for desinfeksjon Sjøvannstilsetning
23 Tæring og beskyttelse av sement Porevann i likevekt med sementpasta: Høy ph og Ca. Evt. også høy Al. Transport av porevann til bulkfasen: Økning i ph, Ca og Al. Utfelling og tetting av poreåpningene: Utfelling av CaCO 3. Avhengig av vannkvalitet. Gir korrosjonsbeskyttelse. Viktige faktorer: ph, temperatur, kalsium, alkalitet
24 Aggressivitetsindex Langlier Index, LSI (Saturation Index, SI): LSI = ph ph s ph s = CaCO 3 likevekts ph ph s = pk 2 pk sp log [Ca] + S log [Alkalitet] Konsentrasjoner i mol/l, alkalitet = [HCO 3- ], S = salinitet korreksjonsfaktor = -log γ Ca γ HCO3 LSI > 0 " overmettet med hensyn på CaCO 3 LSI < 0 " aggressivt Aggressivitets Index, AI: AI = ph + log ([Alkalitet] [Hardhet]) Alkalitet og hardhet i mg CaCO 3 /l AI < 12 " aggressivt
25 Vannets aggressivitetsindeks Beregning og angivelse av aggressivitet overfor sement (fuger) basert på LSI. For sementfuger bør LSI > -0.15. For å unngå for mye utfellinger bør LSI < 0.15. Svært aggressivt LSI < -1.00 Moderat aggressivt -1.00 < LSI < -0.15 Lite aggressivt -0.15 < LSI < 0 I likevekt LSI = 0 Lite scaling 0 < LSI < 0.15 Moderat scaling 0.15 < LSI < 1.00
26 Aggressivitet ph=7.2 Kalsium, mg Ca/l 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Moderat aggressivt 35 C 35 C 25 C 25 C Svært aggressivt 35 C 25 C 25 C 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,4 2,7 3 3,3 3,6 Alkalitet, mmol/l 35 C 25 C 35 C Moderat scaling 25 C 35 C
27 Aggressivitet ph=7.6 Kalsium, mg Ca/l 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 35 C 35 C 35 C 25 C 25 C 25 C Moderat aggressivt Svært aggressivt 25 C 35 C 25 C Lite scaling 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,4 2,7 3 3,3 3,6 Alkalitet, mmol/l Moderat scaling 35 C 25 C 35 C
28 LSI - oppsummering LSI er benyttet for å angi vannets aggressivitet overfor sementbaserte fuger. Aggressiviteten kan reduseres vesentlig ved å øke ph fra 7.2 til 7.6. Høy temperatur reduserer aggressiviteten. Andre viktige faktorer som kan påvirke aggressiviteten: Sulfat Kan trenge inn i sementen, danne gips, og bryte opp sementen. Oksidasjonsmidler (klor, ozon, osv) Kan oksidere og bryte ned organiske tilsetningsstoffer i sementen. Temperatur Kan akselerere oksidasjons- og nedbrytningsprosesser i sementen.
29 Beregning av vannbalanse (AI) Kalsium 20 30 40 50 80 100 125 160 200 250 340 450 560 800 Alkalitet 20 30 40 50 80 100 125 160 200 250 340 450 560 800 Faktor 1.0 1.2 1.3 1.4 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.6 Kalsium og alkalitet er angitt som mg CaCO 3 / L. Aggressivitetsindeksen finnes ved: Index = Faktor (kalsium) + Faktor (alkalitet) + ph Beregningene gjelder for 28 ºC. Ved uoppvarmet basseng trekkes det 0.1 fra beregnet index, og for basseng med høy temperatur legges det til 0.1.
30 Vannbalanse Index (AI) Vannbalanse LSI < 9.6 Meget korrosivt < (-1.0) 9.6 10.5 Korrosivt (-1.0) (-0.15) 10.6 10.9 Akseptabel balanse (-0.15) 0 11.0 11.2 Ideell balanse 0 11.3 11.6 Akseptabel balanse 0 0.15 11.7 12.6 Gir avleiringer 0.15 1.0 > 12.6 Gir mye avleiringer >1.0
31 Temperatur Temperaturen har stor innvirkning på de prosessene som foregår i bassengvannet. En gjennomgående trend er økning av temperaturen i bassengvann. Dette kan medføre: Økt hastighet på alle kjemiske reaksjoner i vannet. Som en tommelfingerregel vil en heving av temperaturen på 10 ºC, medføre en dobling av reaksjonshastigheten. Større kjemikalieforbruk. Økt forbruk av klor. Temperaturøkning i teknisk/tilstøtende rom.
32 Alkalitet og fri CO 2 25 20 For høy alkalitet gir høyt innhold av fri CO 2. Fri CO2, mg CO2/l 15 10 5 0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 2,1 2,4 2,7 3 3,3 3,6 ph=7.2, T=25C ph=7.2, T=35C ph=7.6, T=25C ph=7.6, T=35C Likevektskonsentrasjonen med luftens CO 2 - innhold er lav, ca 0.5 mg/l (stiplet rød linje). Alkalitet, mmol/l Dette er uønskelig fordi det medfører at mer syre må doseres for å opprettholde ønsket ph. CO 2 strippes av og ph stiger. 32
33 Eksempel (likevekt, temp = 25 ºC) ph = 7.2 : Alkalitet = 2.1 mmol/l Kalsium = 85 mg Ca/L Fri CO 2 = 13 mg CO 2 /L ph = 7.6 : Alkalitet = 2.1 mmol/l Kalsium = 35 mg Ca/L Fri CO 2 = 5 mg CO 2 /L Eller Alkalitet = 1.5 mmol/l Kalsium = 50 mg Ca/L Fri CO 2 = 3 mg CO 2 /L Betydelig kjemikaliebesparelse ved å øke ph fra 7.2 til 7.6: Lavere nødvendig verdi for alkalitet og kalsium Mindre tap av CO 2 (dvs mindre ph-økning)
34 Hva skjer under flisene? Har lite kunnskap om hva som skjer. Lite sannsynlig at det er kjemisk utvasking pga liten vanngjennomstrømning (LSI vurderinger blir da mindre viktig). Diffusjon av aggressive og reaktive forbindelser inn under flisene er mer sannsynlig (klorforbindelser, sulfat, o.l.). Konstruksjonsfeil og dårlig utført arbeid kan også være viktige årsaker. Det er behov for grundigere undersøkelser.?
35 Mangel på data For bedre å kunne forstå skade og årsakssammenhenger er det nødvendig med bedre registrering av vannkvalitetsog driftsdata fra ulike basseng, sammen med kartlegging av skader. Det er også behov for mer kunnskap om ulike materialers bestandighet i ulike miljø.
36 Forslag til materialvalg LSI - indikator Flisfuger Lim Membran LSI < -1.0 Epoksy Epoksy / Spesial sementbasert lim Epoksy / Spesial sementbasert membran -1.0 <LSI< -0.15 Epoksy Spesial sementbasert lim Spesial sementbasert membran -0.15 <LSI< 0.15 Sement Spesial sementbasert lim Spesial sementbasert membran